地质雷达探测技术在隧道进口段超前探测中的应用

【摘要】随着交通建设的不断发展，高速铁路、公路等都进入了新的建设时期，隧道的建设和使用也日渐增多。由于地质条件复杂性等因素的影响，隧道的开挖进洞经常会遇到特殊的地质问题，给后期的工程建设带来一定的困难。隧道的超前探测工作可以提前对隧道地质情况进行分析，及时发现施工过程中可能发生的地质灾害，避免了隧道建设的经济损失。地质雷达探测技术在隧道超前探测应用中是比较理想的探测技术，能够结合地形、地貌对地质条件进行分析，给隧道的安全建设提供了科学依据。

【关键词】探地雷达；探测技术；隧道超前探测

随着经济和社会的发展，高速公路和铁路在交通运输建设中的地位越来越高，这也带动了隧道工程建设的发展。隧道建设质量安全保障是隧道工程中非常注重的环节，为此，需要利用超前探测技术对隧道地质进行探测分析。目前常用的超前地质预报方法有红外探水、探地雷达、TSP隧道超前地质预报系统、瞬变电磁法、地质分析预报法等。探地雷达在地质探测中具有很好的探测效果，有着快速、高效、精确、实时成像等优点，是非常有发展前景的探测技术。在对隧道进洞浅埋段进行超前探测时，探地雷达是比较理想的技术。

1、探地雷达的探测原理

探地雷达方法是利用发射天线向地下介质发射广谱、高频电磁波，当电磁波遇到电性（介电常数、电导率、磁导率）差异界面时将发生折射和反射现象，同时介质对传播的电磁波也会产生吸收、滤波和散射作用。用接收天线接收来自地下的反射波并做记录，采用相应的雷达信号处理软件进行数据处理，然后根据处理后的数据图像结合工程地质及地球物理特征进行推断解释，对掌子面前方的工程地质情况（围岩性质、地质结构构造、围岩完整性、地下水和溶洞等情况）做出预测。

2、探地雷达的参数

探地雷达主要采用高频率、短脉冲、宽频带、高速度进行采样工作。仪器配置有主机、天线、电池波发射机、电池波接收机、计算机、电池等。以美國GSSI-3000型雷达为例，其主要技术指标为：

2.1主机

量程：50～2975ns；发射脉冲重复频率：115kHz；扫描速度：56次/s；采样：128，256，512点/s；增益控制范围：0～80dB；动态范围：128dB；滤波：用户可选；检测模式：连续；转换：16位；数据传输：以太网接口；输入电源：12V；充电电池：10.5～13V；电池容量：6.5Ah；消耗电流：0.7A；尺寸：35cm×30cm×5.5cm；重量：3.0kg。

2.2天线

天线采用的是100MHz屏蔽天线。类型：藕极，空气耦合；发射器输出：200V；接收器敏感性：50mV；探测深度：20m（75M）；尺寸：95cm×12cm×4cm；重量：2～7kg。

2.3软件

软件具有采集和分析功能，同探测雷达系统相匹配。

3、工程实例

以荷包冲1号隧道作为地质雷达超前探测的地点。该隧道洞口段埋深较浅，地形比较平缓，洞顶边仰坡多处裂缝，截水沟局部存在破损。隧址区主要岩性为灰岩，浅埋段岩体节理、裂隙发育，强风化，隐晶质结构，薄～中厚层状构造，结构面间为黏土充填，掌子面潮湿，局部位置渗水，岩体完整性差、自稳能力弱。

3.1探测过程

探地雷达在对隧道口进行超前探测时，多采用“两横两竖”或“一横三竖”的布线方式。在对荷包冲1号隧道进行探测时，布线要尽可能靠近掌子面圆心位置。结合现场施工和检测条件，一般在最长的测线上对隧道围岩进行数据采集，为后期分析中发现异常问题提供便利。

在对掌子面进行探测时，尽量保持掌子面的平整，给天线的移动提供平稳的条件，否则会导致信号出现异常。对于采集中出现的干扰信号如金属器件、停靠车辆等反射的信号做好记录，否则会被认为是探测到的地质异常体。

雷达发射的电磁波会被介质反射回来，雷达接收后在可对其进行处理分析，最后以脉冲反射波形显示出来。隧道内的复杂环境和各种干扰导致电磁波被反射和吸收的程度不同，天线接收后的电磁波形比较杂乱，振幅也降低。此时不易直接判断掌子面前方的地质情况，需要进行滤波和去噪等处理，最后得到地质雷达的测线剖面图。

3.2探测结果分析

通过地质雷达的探测，结合测线剖面解译成果和地勘资料可知：距掌子面0.8～2m范围的电磁波反射同相轴错断、振幅强、频率中等，推测该段落受开挖扰动影响，节理裂隙发育，为开挖扰动区；距掌子面2～4m范围的电磁波反射同相轴较连续、振幅较弱、频率中等，推测该段落岩体节理、裂隙较发育，完整性较差，具有一定自稳能力；距掌子面4～5.5m范围的电磁波反射同相轴错断、振幅很强、频率中等偏低，推测此处溶蚀裂隙、岩溶发育，频率偏低表明溶蚀裂隙或溶洞为黏土充填；距掌子面6m～20米范围的电磁波反射同相轴基本连续、振幅较弱、频率中等，说明本段落围岩完整性较好，局部发育节理、裂隙，开挖后支护不及时可能出现掉块现象。

3.3工程措施建议

从地质雷达探测结果分析，进口处的截水沟和洞顶边仰坡都已经出现开裂和局部破坏。应对地表截水沟进行修复，同时新增排水沟；洞顶边仰坡出现的裂缝应在施工过程中进行加固和修补，建议对浅埋破碎带地表岩土体进行地表注浆加固，让浅埋段围岩的稳定性得到提高。对于局部渗水区段，在掘进过程中，可以采用缩小钢拱架间距的处理措施，增强初期支护的承载能力。对于岩体裂隙发育地段，应在拱脚加设锁脚锚杆，增强拱架间纵向连接钢筋，并严格按照设计施作超前支护。

结语：

地质雷达探测技术对隧道超前探测中具有重要的作用，能够对需要探测地段的地质构造做出定性的判断，结合单位工程的设计及勘察资料综合进行解译，更容易排查隧道施工过程中易出现的地质灾害。地质雷达探测技术成本较低、易操作、干扰小，是现阶段隧道工程超前探测应用中比较理想的探测方法。但这项探测技术受到环境和操作技术水平的影响较大，依然需要在实践中不断创新，为隧道的超前探测提供可靠的数据，为工程施工安全提供有力的参考。

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作者简介：

刘胜红，汉族，出生年月：1976年9月，籍贯：云南陆良，学历：大学本科，现有职称：高级工程师，研究方向：公路工程试验检测。